CN110971301A - 一种多电机机群系统长距离通信装置及方法 - Google Patents

一种多电机机群系统长距离通信装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多电机机群系统长距离通信装置及方法，该装置包括多套驱动控制单元，其中，每套驱动控制单元的驱动控制单元包含FPGA数字处理芯片及两组光纤单元，所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。本发明实现了多电机驱动系统高速远距离传输。

Description

一种多电机机群系统长距离通信装置及方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种多电机机群系统高速、长距离通信装置及方法。
背景技术
在柔性连接的多电机驱动系统中，负载可能传输距离较长，有些甚至跨度达到几十公里，其驱动电机随之分布较分散。另外为满足多电机驱动系统控制的动态响应性能要求，多电机驱动系统间必须具备高速、远距离、高可靠性及高抗扰性的通信方式。
现有技术中多电机机群通信多采用一对一的方式，即主对从间一对一通信连接，该方式主机需要处理多台电机的通信，主机信息处理周期长，造成信息延迟严重。对于高动态响应高的场合，采用电缆作为通信介质时，干扰严重，影响信息传输的稳定性。
因此，采用光纤通信解决干扰及提高通信速率，通过优化通信控制解决多电机场合长距离传输信息延迟大是目前多电机应用场合亟需解决的问题。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种多电机机群系统高速、长距离通信装置及方法，用于满足多电机驱动系统控制的动态响应性能要求。
本发明提供了一种多电机机群系统长距离通信装置，包括，该装置包括多套驱动控制单元，所述多套驱动控制单元通过每套驱动控制单元中的通信装置串联连接；所述通信装置包括FPGA数字处理芯片、两组光纤单元及DSP，所述FPGA数字处理芯片用于对传递的信息进行处理；所述DSP用于读取该缓冲单元中的数据信息；
所述两组光纤单元分别为第一光纤单元、第二光纤单元；所述第一光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；所述第二光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级变频驱动控制单元通信；
所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
优选的，所述上级驱动控制单元指设备编号小于本机的驱动控制单元，所述下级驱动控制单元指设备编号大于本机的驱动控制单元。
优选的，所述FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
所述解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；
所述识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；
所述缓存单元用于存储识别单元传递的信息；
所述编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
优选的，所述通信装置的工作模式包括不处理信息直接传递和处理信息再传递两种，所述的两种工作模式可以选择其一，也可以同时进行。
本发明还提供了一种多电机机群系统长距离通信方法，多电机机群系统中，串联连接的每个驱动控制单元，其通信均包括收上级信息及发布至下级、接收下级信息及发布至上级两部分，所述接收上级信息及发布至下级的方法包括，
第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信信息，一方面经过FPGA数字处理芯片中的光纤直接输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
另一方面，将接收信息经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码处理，解码为并行数据信息，传递给信息识别单元；所述数据信息包括目的设备的设备号、发送设备的设备号，帧号、参数号及通信内容；信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将并行数据信息存入缓冲单元，若不一致，则不存入缓冲单元；
DSP读取该缓冲单元中的数据；
接收下级信息及发布至上级的方法包括：
第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信信息，一方面经过FPGA数字处理芯片中的光纤直接输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元；
另一方面，将接收信息经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码处理，解码为并行数据信息，传递给信息识别单元；信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将并行数据存入缓冲单元，若不一致，则不存入缓冲单元；
DSP读取该缓冲单元中的数据。
优选的，在所述接收下级信息及发布至上级的方法中，若设备被设置为从机，可设置从机通信装置的工作模式为只将接收的下级设备信息立刻发送给上级设备，不进行信息的处理工作。
优选的，该方法包括本机为主机向其它设备发布和本机为从机向其它设备发布两部分，具体方法如下：
FPGA数字处理芯片中的DSP将要发送的并行信息传输至FPGA数字处理芯片中的缓冲单元；
所述并行信息包括目的设备的设备号、本机设备号、帧号、参数号、通信内容；所述通信数据包括控制命令、控制数据，监视数据；
所述缓冲单元将信息传输至FPGA数字处理芯片中的编码单元，所述编码单元对并行数据进行编码；
所述编码信息由起始位、目的设备的设备号、本机设备号、帧号、参数号、通信数据、校验位及停止位组成；
判断本设备是否具有发送权限及优先权限，若优先权允许，则进行定时发送。
优选的，所述优先权限根据主机、从机、传输的控制命令或者数据信息进行设定。
优选的，所述方法中设置主机具有最高有限权，控制命令具有较数据信息更高的优先权。
优选的，该通信方法采用各通信设备定时使用光纤链路的模式。
本发明有益效果：
本发明通过设备逐级传递信息的方式，解决了长距离通信电缆长、且光纤传输距离受限的问题，并且实现了多机上行监视信息和下行控制信息发布的及时性。本发明采用光纤通信方式解决了工业现场的抗干扰性问题和提高了系统的电磁兼容性。本发明的通信硬件电路，可自由组合成多机系统，且该通信协议具有通用性和集成度高的特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
图1为本发明实施利提供的多电机机群系统通信结构示意图；
图2为本发明实施利提供的控制板卡通信信息处理硬件结构图；
图3为本发明实施利提供的从控制板卡通信信息处理硬件结构图；
图4为本发明实施利提供的接收上级信息及发布至下级工作流程图；
图5为本发明实施利提供的接收下级信息及发布至上级工作流程图；
图6为本发明实施利提供的发布信息流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例进行详细说明。
本实施例提供一种多电机驱动系统通信控制装置，该通信控制装置适用于刚性连接多电机机群系统及柔性连接多电机机群系统。
图1为所示本实施例提供了一种多机系统长距离通信硬件方案，该装置包括多套驱动控制单元，多套驱动控制单元通过每套驱动控制单元中的通信装置串联连接，通信装置包括FPGA数字处理芯片、两组光纤单元及DSP， FPGA数字处理芯片用于对传递的信息进行处理；DSP用于读取该缓冲单元中的数据信息；两组光纤单元分别为第一光纤单元、第二光纤单元，包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；；第二光纤单元，包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级驱动控制单元通信。
第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
所述上级驱动控制单元指变频单元的设备号小于本机的驱动控制单元，所述下级驱动控制单元指变频单元的设备号大于本机的驱动控制单元，该驱动控制单元的设备号为人为设置。
图2为实施例控制板卡通信信息处理硬件结构图。FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；缓存单元用于存储识别单元传递的信息；编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
通信装置的工作模式包括不处理信息直接传递和处理信息再传递两种，所述的两种工作模式可以选择其一，也可以同时进行。
具体的，处理信息再传递模式：第一光纤单元的接收光纤的接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码，FPGA数字处理芯片中信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将16位数据存入缓冲单元，若不一致，则放弃将该16位并行数据信息存入缓冲单元。第二光纤单元的接收光纤的接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，FPGA数字处理芯片中信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将32位数据存入缓冲单元，若不一致，则放弃将该32位并行数据信息存入缓冲单元。
DSP读取该缓冲单元中的数据，要发送的并行信息传输至缓冲单元，缓冲单元传输至编码单元，对并行数据进行编码，经过第一光纤单元的发送光纤或第二光纤单元的发送光纤发出至上下级驱动控制单元。
不处理信息直接传递的工作模式：另外两条连接线路，即第一光纤单元的接收光纤的接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中的直接连线立刻输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元。第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中的直接连线立刻输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。这两条连接方式因为是通过FPGA直接连线传输，因此几乎不存在延迟，大大提高了传输速度。
与上述的装置实施例相对应，本发明还提出了一种多电机驱动系统通信控制方法，
如图4所示为接收上级信息及发布至下级通信方法的流程图，多电机机群系统中，串联连接的每个驱动控制单元，其通信均包括收上级信息及发布至下级、接收下级信息及发布至上级两部分，所述接收上级信息及发布至下级的方法包括如下步骤：
步骤S1001：第一光纤单元的接收光纤的接收上级驱动控制单元发送的通信信息，该信息可以通过脉冲的方式发送，经过FPGA数字处理芯片中的直接输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元。
步骤S1002：将接收信息经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码处理，解码为并行数据信息，传递给信息识别单元；所述数据信息包括目的设备的设备号、发送设备的设备号，帧号、参数号及通信内容；信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将并行数据信息存入缓冲单元，若不一致，则不存入缓冲单元。该步骤与上述方法中步骤S1001同步进行。
步骤S1003：FPGA数字处理芯片中信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将16位数据存入缓冲单元，若不一致，则放弃将该16位并行数据信息存入缓冲单元。
步骤S1004：DSP读取该缓冲单元中的数据。
本如图5所示为接收下级信息及发布至上级通信方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1101：第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中的直接连线立刻输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
步骤S1102：第二光纤单元的接收光纤的接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码，解码为并行32位数据信息，该信息中包括目的设备的设备号、发送设备的设备号、帧号、参数号及通信内容。该步骤与上述方法中步骤S1101同步进行。
步骤S1103：FPGA数字处理芯片中信息甄别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将32位数据存入缓冲单元，若不一致，则放弃将该32位并行数据信息存入缓冲单元。
步骤S1104：DSP读取该缓冲单元中的数据；
在所述接收下级信息及发布至上级的方法中，若设备被设置为从机，可设置从机通信装置的工作模式为只将接收的下级设备信息立刻发送给上级设备，不进行信息的处理工作。图3为实施例从机控制板卡通信信息处理硬件结构图。
主机控制板卡通信信息处理硬件结构不变，对从机控制板卡通信信息处理硬件结构进行了进一步优化，即如果本设备被设置为从机，则可不处理下级设备传递的信息，只将接收的下级设备信息立刻发送给上级设备，该模式大大降低了信息处理量。即如果本设备被设置为从机，则步骤S1002-步骤S1004可不处理，从机只将接收的下级设备信息立刻发送给上级设备。
如图6所示为本发明实施例提供的信息发布方法的流程图，本机信息发布分为本机为主机向其它设备发布和本机为从机向其它设备发布。所示为本机信息发布通信方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1201：数字处理芯片中的DSP将要发送的并行信息传输至数字处理芯片FPGA的缓冲单元，所述并行信息包含目的设备的设备号、本机设备号、帧号、参数号、通信内容。所述通信数据包括控制命令、控制数据，监视数据。
步骤S1202：缓冲单元将信息传输至FPGA数字处理芯片中的编码单元，编码单元对32位并行数据进行编码，该编码信息由起始位、目的设备的设备号、本机设备号、帧号、参数号、通信数据、校验位、停止位组成。
步骤S1203：判断本设备是否具有发送权限及优先权限，若优先权允许，则进行定时发送。
本实施例所述发送权限是对设备是否有权使用光纤通信链路的限制，当本机处理未被选中状态则不具备发送和接收信息的权限。
所述优先权限是根据主机或者从机以及传输的控制命令或者数据信息进行设定的，主机具有最高有限权，控制命令具有较数据信息更高的优先权。
另外，为解决通信链路的堵塞问题，本发明采用各通信设备定时使用光纤链路的模式。
采用本实施例通信硬件电路，可自由组合成多机系统，且该通信协议具有通用性和集成度高的特点。本实施例通过设备逐级传递信息的方式，不仅解决了长距离通信电缆长、且光纤传输距离受限的问题，同时实现了多机上行监视信息和下行控制信息发布的及时性。采用光纤通信方式解决了工业现场的抗干扰性问题和提高了系统的电磁兼容性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种多电机机群系统长距离通信装置，其特征在于，包括，该装置包括多套驱动控制单元，所述多套驱动控制单元通过每套驱动控制单元中的通信装置串联连接；所述通信装置包括FPGA数字处理芯片、两组光纤单元及DSP，所述FPGA数字处理芯片用于对传递的信息进行处理；所述DSP用于读取该缓冲单元中的数据信息；
所述两组光纤单元分别为第一光纤单元、第二光纤单元；所述第一光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与上级驱动控制单元通信；所述第二光纤单元包含一个发送光纤和一个接收光纤，用于与下级驱动控制单元通信；
所述第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；
所述第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信脉冲，经过FPGA数字处理芯片中输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元。
2.根据权利要求1所述的多电机机群系统长距离通信装置，其特征在于，
所述上级驱动控制单元指设备编号小于本机的驱动控制单元，所述下级驱动控制单元指设备编号大于本机的驱动控制单元。
3.根据权利要求1所述的多电机机群系统高速通信装置，其特征在于，
所述FPGA数字处理芯片包括解码单元、识别单元、缓存单元及编码单元；
所述解码单元用于对通信脉冲进行解码，解码为并行的数据信息；
所述识别单元用于比较目的设备号是否与本机设备号一致；
所述缓存单元用于存储识别单元传递的信息；
所述编码单元用于对缓冲单元中的数据进行编码。
4.根据权利要求3所述的多电机机群系统长距离通信装置，其特征在于，所述通信装置的工作模式包括不处理信息直接传递和处理信息再传递两种，所述的两种工作模式可以选择其一，也可以同时进行。
5.一种多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，多电机机群系统中，串联连接的每个驱动控制单元，其通信均包括收上级信息及发布至下级、接收下级信息及发布至上级两部分，所述接收上级信息及发布至下级的方法包括，
第一光纤单元的接收光纤接收上级驱动控制单元发送的通信信息，一方面经过FPGA数字处理芯片中的光纤直接输出至第二光纤单元的发送光纤，发送至下级驱动控制单元；另一方面，将接收信息经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码处理，解码为并行数据信息，传递给信息识别单元；
信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将并行数据信息存入缓冲单元，若不一致，则不存入缓冲单元；
DSP读取该缓冲单元中的数据；
接收下级信息及发布至上级的方法包括：
第二光纤单元的接收光纤接收下级驱动控制单元发送的通信信息，一方面经过FPGA数字处理芯片中的光纤直接输出至第一光纤单元的发送光纤，发送至上级驱动控制单元；
另一方面，将接收信息经过FPGA数字处理芯片中的解码单元对通信脉冲进行解码处理，解码为并行数据信息，传递给信息识别单元；
信息识别单元比较目的设备的设备号是否与本机设备号一致，若一致则将并行数据存入缓冲单元，若不一致，则不存入缓冲单元；
DSP读取该缓冲单元中的数据。
6.根据权利要求5所述的多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，在所述接收下级信息及发布至上级的方法中，若设备被设置为从机，可设置从机通信装置的工作模式为只将接收的下级设备信息立刻发送给上级设备，不进行信息的处理工作。
7.根据权利要求5所述的多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，还包括本机信息发布方法，该方法包括本机为主机向其它设备发布和本机为从机向其它设备发布两部分，具体方法如下：
DSP将要发送的并行信息传输至FPGA数字处理芯片中的缓冲单元；
所述缓冲单元将信息传输至FPGA数字处理芯片中的编码单元，所述编码单元对并行数据进行编码；
判断本设备是否具有发送权限及优先权限，若优先权允许，则进行定时发送。
8.根据权利要求7所述的多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，
所述优先权限根据主机、从机、传输的控制命令或者数据信息进行设定。
9.根据权利要求8所述的多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，
所述方法中设置主机具有最高有限权，控制命令具有较数据信息更高的优先权。
10.根据权利要求5-8所述的多电机机群系统长距离通信方法，其特征在于，该通信方法采用各通信设备定时使用光纤链路的模式。
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